Возможность получения германиевых наноразмерных островковых структур на кремнии методом вакуумной микроразмерной ростовой ячейки Текст научной статьи по специальности «Нанотехнологии»

УДК 621.315.592:548.25

ВОЗМОЖНОСТЬ ПОЛУЧЕНИЯ ГЕРМАНИЕВЫХ НАНОРАЗМЕРНЫХ ОСТРОВКОВЫХ СТРУКТУР НА КРЕМНИИ МЕТОДОМ ВАКУУМНОЙ МИКРОРАЗМЕРНОЙ РОСТОВОЙ ЯЧЕЙКИ

© 2013 г. А.Н. Яценко, В.Н. Лозовский

Южно-Российский государственный South-Russian State

технический университет Technical University

(Новочеркасский политехнический институт) (Novocherkassk Polytechnic Institute)

Показано, что методом микроразмерных ростовых ячеек могут быть получены на поверхности кремния ансамбли германиевых островковых наноразмерных структур. Исследованы их геометрические особенности, характер распределения по размерам, поверхностная плотность.

Ключевые слова: метод вакуумных микроразмерных ростовых ячеек; кремний; германий; островковые микро- и наноструктуры.

The ensembles of germanic island nanodimensional structures on the surface of silicon have been generated by technique of microdimensional growing cells. Their geometrical features, nature of distribution in the sizes, superficial density have been investigated.

Keywords: technique of vacuum microdimensional growing cells; silicon; germany; island micro- and nanostructures.

В течение нескольких десятков лет кремний сохраняет лидирующие позиции материала, используемого для создания дискретных полупроводниковых приборов и интегральных микросхем (ИМС). Постоянное повышение степени интеграции ИМС и уменьшение их стоимости определяют успехи современной кремниевой электроники. Методы формирования кремниевых приборных структур пригодны, в принципе, для создания кремниевой оптоэлектроники, включая различные интегральные оптоэлектронные устройства, и такая задача является весьма актуальной. Основной проблемой здесь является получение эффективных источников на базе кремния. По фундаментальным физическим причинам вероятность излу-чательной рекомбинации в кремнии низка по сравнению с безизлучательной. В связи с этим перед полупроводниковым материаловедением встает задача разработки метода получения на основе кремния материалов с достаточно высоким квантовым выходом электролюминесценции. К таким материалам относится, в частности, соединение Ое^!.* в виде сплошных пленок и островковых структур на кремниевой подложке. Существует несколько широко используемых методов нанесения слоёв Ое^^,* и островковых

структур на кремниевую подложку [1]. Их общий недостаток - снижение эффективности при увеличении размера подложки. Поэтому разработка новых методов получения слоев Ge*Si1.* на кремнии остается актуальной. В настоящей статье излагаются предварительные результаты использования для этой цели метода вакуумных микроразмерных ростовых ячеек (МРЯ) [2].

Метод вакуумных микроразмерных ростовых ячеек относится к семейству методов термического испарения вещества в вакууме. В простейшем случае микроразмерная ростовая ячейка представляет собой сэндвич из двух соосных плоскопараллельных пластин одинакового радиуса R, разделенных тонкой вакуумной зоной толщиной I (рис. 1 а). Одна из пластин является источником сублимирующего ростового вещества, вторая - подложкой. Метод МРЯ реализуется при выполнении условий:

l << R и l << L

(1)

где X - средняя длина свободного пробега атомов газа в вакуумной зоне. Эти газы включают пары ростового вещества и остаточные газы, поступающие в зону из рабочей камеры.

л Е:

R

1 Подложка ' В _._

Вак-уумная зона

Ts

с

Та > тв

Источник паров

IA

R

Подложка

;■ Miia;i зона 2r

а б

Рис. 1. Сечение сэндвича из пластины-источника А и пластины-подложки В для случаев сплошного (а) и дискретного (б) источников ростового вещества; С - выросший слой; г - радиус лунки, образующей элементарный испаритель;

h - расстояние между соседними лунками

z

z

rh = R

Если температуры источника и подложки сэндвича (А и В на рис. 1) ТА и Тв достаточно высоки и одинаковы, то процесс ЗСП проявляется в сублимационном травлении внутренних поверхностей пластин. Если ТА > Тв, то с поверхности пластины А вещество сублимируется и происходит его перенос вдоль оси z к поверхности пластины В (в виде молекулярного потока). Пластина А становится источником вещества, пластина В - подложкой. На ней кристаллизуется слой С. В стационарном режиме ЗСП молекулярный поток ростового вещества в зоне I сохраняется неизменным до полного исчерпания источника, т.е. кристаллизация слоя С носит неконсервативный характер. Теоретически этот режим позволяет выращивать эпитаксиальные или поликристаллические слои сколь угодно большой площади. В принципе, площадь такого слоя ограничивается только площадью используемого источника.

Если ростовое вещество обладает значительным давлением насыщенных паров уже в твердой фазе, т. е. достаточно интенсивно сублимирует, то источник может быть выполнен в виде пластины (рис. 1 а). Этот вариант метода МРЯ получил название зонная сублимационная перекристаллизация и успешно применяется для получения эпитаксиальных слоев кремния на кремнии [2].

Если же сублимация ростового вещества недостаточно интенсивна и для получения приемлемых скоростей роста требуется перевод источника в расплавленное состояние, возникают методические трудности, связанные с нарушением плоскопараллельности сэндвич-композиции и нарушением условий реализации режима микроразмерности ростовой ячейки (1). В работе [3] была предложена методика, позволяющая преодолеть указанную трудность. Она сводится к замене сплошного твердого источника (рис. 1 а) на совокупность жидкофазных элементарных испарителей, расположенных на поверхности некоторой пластины в виде серии лунок, заполненных германием (рис. 1 б). Именно такая конструкция испарителя была использована в настоящей работе для получения ост-ровковых структур германия на подложках кремния.

Использовался дискретный источник диаметром Я > 1, выполненный из мелкопористого чистого графита марки МГ-1 со следующими параметрами: г = 0,5 мм, h = 0,6 мм. Толщина вакуумной зоны I составляла 0,6 мм. Максимальная неоднородность толщины напыляемого сплошного слоя германия из такого источника не превышала 2 %. Давление остаточных газов в ростовой камере составляло 10-4 Па. В качестве подложек использовались пластины марки КДБ-10, ориентированные по плоскости (111) или (100). Они имели диаметр Я = 100 мм и стандартно обработанную поверхность, отвечающую требованиям эпитаксии. Дополнительная очистка поверхности подложки достигалась термическим травлением в вакууме при температуре Т = 1150 оС. В качестве источника использовался порошок германия полупроводниковой чистоты. Максимальное давление паров испаряющегося германия не превышало 10-2 Па. Сле-

довательно, основные условия для метода МРЯ (1) выполнялись достаточно хорошо (отношение l/R не превышало 10-3, i/x равно примерно 10-4). Температура подложки Тв варьировалась от 650 до 920 оС.

Для исследования полученных структур использовались: оптический микроскоп Olympus BX-51, сканирующий электронный микроскоп Quanta-200 c рентгеновским микроанализатором EDAX, и силовой атомный микроскоп Solver HV. Результаты исследований, проведенных с помощью Quanta-200, представлены на рис. 2. На этих рисунках изображены типичные островковые структуры германия, полученные на кремнии при различных условиях напылени.

На рис. 2 а изображены наноразмерные островко-вые структуры германия, выращенные на подложке кремния с ориентацией поверхности по кристаллографической плоскости (111). При условиях: температура подложки Тв = 700 0С, плотность потока ростового вещества j = 1014 см-2 с-1, время процесса осаждения островковых структур t = 5 мин (основная часть рисунка) и при тех же условиях, и при t = 200 мин (вставка). Видно, что островки имеют, в основном, треугольную форму. Это указывает на влияние ориентации подложки на их формирование. Треугольная огранка островков в процессе их роста становится более чёткой, что видно на вставке рис. 2 а. Одновременно усиливается коагуляция островков.

..I'*."-' ; ,

—

а б

Рис. 2. РЭМ-изображения германиевых островков, выращенных на кремниевой подложке с ориентаций (111) - а и с ориентацией (100) - б. На вставках изображены аналогичные островки, полученные при более длительном выращивании

Общая поверхностная плотность островков, представленных на рис. 2 а, составляет ~ 1010 см-2. Их распределение по размерам характеризуется величиной дисперсии, равной 5 = 18 %, а по площади -= 24 %. Планарные размеры наиболее маленьких островков, различимых в микроскопе Quanta-200, составляют Dmn - 50 нм, их средний размер <D> = 74 нм. Однако видно, что имеются еще более мелкие островки, которые не имеют четкого изображения в микроскопе Quanta-200. Размеры таких островков можно оценить с помощью АСМ (рис 3 б). Видно, что их планарные размеры составляют ~ 40 нм. Отношение высоты островков к их планарным размерам в среднем колеблется в пределах от 1/5 до 1/2 (рис. 3).

На рис. 2 б изображены островковые структуры германия, полученные на подложке с ориентацией (100), при условиях: Тв = 700 оС, j = 1014 см-2 с-1, t = 5 мин (основная часть рисунка) и Тв = 700 оС, j = 1014 см-2 с-1, t = 200 мин (вставка).

24 20 16 "12 8 4

100 150

Plane, nm

а

40 60 80

Plane, nm

б

100 120

Рис. 3. Профили островковых структур германия на кремнии различных размеров, полученные на атомно-силовом микроскопе Solver HV

Видно, что в этом случае островки имеют квадратную форму. На вставке рис. 2 а и б легко заметить кроме крупных островков серии мелких различных размеров. Это свидетельствует о том, что зарождение и рост крупных островков не останавливает процесса зарождения новой фазы на оставшейся свободной поверхности подложки.

Геометрические особенности островков зависят от температуры источника, температуры подложки, времени проведения процесса, ориентации подложки и качества ее предварительной обработки.

С увеличением количества осаждённого германия увеличиваются размеры островков и их концентрация. Поверхностная плотность островков N при разных количествах напыляемого германия колеблется в пределах от 6-108 до 2-1010см"2. Снижение температуры роста приводит к более однородному распределению островков по размерам, уменьшению их среднего размера и увеличению поверхностной плотности.

Изложенное показывает, что модифицированный в настоящей работе метод микроразмерной ростовой ячейки позволяет формировать ансамбли германиевых наноразмерных островков на кремниевых подложках. Это свидетельствует о перспективности поиска условий, при которых описанный в статье метод позволит выращивать на пластинах кремния большой площади островки германия, отвечающие требованиям, предъявляемым к германиевым квантовым точкам.

Литература

1. Герасименко Н.Н., Пархоменко Ю.Н. Кремний - материал наноэлектроники. М., 2007. 352 с.

2. Aleksandrov L.N., Lozovskii S.V., Knyazev S.Y. Silicon Zone Sublimation Regrowth // Phys. Stat. Sol.(a), 1988. Vol. 107. P. 213 - 223.

3. Лозовский С.В., Лозовский В.Н., Яценко А.Н. Получение слоев GexSi1-x на кремнии методом вакуумных ростовых микроразмерных ячеек // Изв. вузов Сев.-Кавк. регион. Техн. науки. 2012. № 3. С. 93 - 99.

Поступила в редакцию

19 ноября 2012 г.

Яценко Алексей Николаевич - аспирант, Южно-Российский государственный технический университет (Новочеркасский политехнический институт). Тел. 8 (918) 587-56-74. E-mail: [email protected]

Лозовский Владимир Николаевич - д-р физ.-мат. наук, профессор, Южно-Российский государственный технический университет (Новочеркасский политехнический институт). Тел. (8635) 255-459. E-mail: [email protected]

YatchenkoAlexey Nikolaevich - post-graduate student, South-Russian State Technical University (Novocherkassk Polytechnic Institute). Ph. 8(918)587-56-74. E-mail: [email protected]

Lozovsky Vladimir Nikolaevich - Doctor of Phisico-Mathematical Scince, professor, South-Russian State Technical University (Novocherkassk Polytechnic Institute). Ph. (8635) 255-459. E-mail: [email protected]